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第五章 气态污染物控制技术 2 吸附法净化气态污染物 1、吸附: 由于固体表面上存在着分子引力或化学键 力,能吸附分子并使用其浓集在固体表面上的 现象叫。 2、吸附剂: 具有吸附作用的固体物质,称为。 3、吸附质: 被吸附的物质,称为。 4、吸附净化: 是使废气与大表面多孔的固体物质相接触 ,使废气中的有害组分吸附在固体表面上,从 而达到净化的目的。 一、吸附法基本原理 (一)物理吸附和化学吸附 根据吸附过程中吸附剂和吸附质之间作用力的不 同来划分: 1、物理吸附:在吸附过程中,当吸附剂和吸附质之间 的作用力是范德华力(或静电引力)时,称为。 特点: (1)吸附剂和吸附质间不发生化学反应。 (2)吸附过程进行较快,参与吸附的各相之间迅速达 到平衡。 (3)物理吸附是种放热过程,其吸附热较小,相当于 被吸附气体的升华热,一般为20kJmol左右。 (4)吸附过程可逆,无选择性 2、化学吸附: 在吸附过程中,当吸附剂和吸附质之间的作 用力是化学键时称为。 特点: (1)吸附剂和吸附质之间发生化学反应,在吸附剂 表 面生成一种化合物。 (2)化学吸附过程一般进行缓慢,需要很长时间才 能达到平衡。 (3)化学吸附也是放热过程,但吸附热比物理吸附 热大得多,相当于化学反应热,一般84417KJ/mol 。 (4)具有选择性,常常是不可逆的 在实际吸附过程中,物理吸附和化学吸附一 般同时发生,低温时主要是物理吸附,高温时主要 是化学吸附。 (二)吸附过程 吸附过程的全过程可分为:外扩散、内扩 散、吸附和脱附四个过程。 1、外扩散过程:是吸附剂外围空间的气体吸附 质分子穿过气膜,扩散到吸附剂表面的过程。 2、内扩散过程:吸附质分子进入吸附剂微孔中 ,并扩散到内表面的过程。 3、吸附过程:经过外扩散和内扩散到达吸附剂 内表面的吸附质分子被吸附在内表面的过程。 4、脱附过程:是部分被吸附的分子离开吸附剂 的内表面和外表面,进入气膜层,并反扩散到 气相主体中的过程。 (三)吸附平衡 1、定义:由于吸附过程的一种可逆过程,在 吸附质被吸附的同时,部分已被吸附的物 质由于分子的热运动而脱离固体表面回到 气相中去,当吸附速度与脱附速度相等时 ,达到了。 2、特点:达到吸附平衡时,吸附过程仍在进 行,但被吸附物质的量不再增加,可以说 吸附剂失去了吸附能力,必须进行再生。 (四)影响气体吸附的因素 1、操作条件的影响: 主要操作条件:温度、压力、气体流速等。 (1)低温有利于物理吸附,适当升温有利于 化学吸附。 (2)增大气相主体压力(吸附质分压),有 利于吸附。 (3)气体流速过大,气体分子与吸附剂接触 时间短,对吸附不利。气体流速过小,处理气 体的量相应变小,又会使设备增大。气体流速 一般控制在0.20.6 m/s。 、吸附剂性质的影响 (1)有效表面积: 吸附质分子能进入的表面积,是衡量吸附 剂吸附能力的一个重要概念。 (2)影响表面积因素: 吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等均影响。 3、吸附质性质的影响: 吸附质分子的临界直径、吸附质的相对分 子质量、沸点和饱和性等。 4、吸附质浓度的影响: 吸附质在气相中的浓度越大,吸附量也就 越大。但浓度大,使吸附剂很快饱和,再生频繁 ,因此吸附法不宜净化污染物浓度高的气体。 5、吸附剂的活性: 活性是吸附能力的标志,用单位吸附剂 所能吸附吸附质的量来描述。 (1)静活性: 在一定温度下,吸附达到饱和时,单位量 吸附剂所能吸附吸附质的量。 (2)动活性: 是吸附过程还没有达到平衡时单位量吸 附剂所吸附吸附质的量。 6、接触时间: 在吸附过程中,应保证吸附质与吸附剂 有一定的接触时间,使吸附接近平衡,充分发 挥吸附剂的吸附能力。 (五)吸附法的特点 1、优点: (1)净化效率高。 (2)能回收有用组分。 (3)设备简单,流程短,易于实现自动控制 。 (4)无腐蚀性,不会造成二次污染。 2、缺点:吸附容量较小,设备体积较大。 (六)吸附法净化气态污染物的种类 低浓度的SO2烟气、NOX,H2S、含氟废气 、酸雾、含铅及含汞废气、恶臭、沥青烟及碳 氢化合物等。 二、 吸 附 剂 (一)吸附剂的种类和性质 1、分为无机和有机吸附剂;天然和合成吸附剂。 2、常用的吸附剂 (1)活性碳:应用最早,用途较广的一种优良吸附剂 。 形成:由各种含碳物质如煤、木材等,在较低温度 (773k)下炭化,再用水蒸气或化学试剂进 行活 化处理,制成孔穴十分丰富的吸附剂。 特性:是一种具有非极性表面、疏水性和亲有机物 的 吸附剂。 用途:常用来吸附回收空气中的有机溶剂,净化某 些气 态污染物,也可以用来脱臭。 (2)活性氧化铝 形成:是指氧化铝的水合物加热脱水而形成的多孔物 质。 特性:吸附极性分子,无毒,机械强度大,不易膨胀。 用途:用于气体干燥,石油气脱硫,及含氟废气净化 等。 (3)硅胶 形成: 用硅胶钠与酸反应生成硅酸凝胶,然后在 115130下烘干、破碎、筛分而制成各种粒度的 产品。 特性:具有很好亲水性,吸附量很大。 用途:用于气体的干燥和从废气中回收烃类气体 。 (4)沸石分子筛 形成:是具有多孔骨架结构的硅酸盐结晶体。 特点: A、具有很高的吸附选择性。 B、具有很强的吸附能力。 C、是强极性吸附剂,对极性分子特别是对水分子 具 有很强的亲和力。 D、热稳定性和化学稳定性高 (二)吸附剂的选择 1、选择吸附剂的基本要求: (1)大的比表面积和孔隙率(空穴越多,内表 面越大,则吸附性能越好)。 (2)良好的选择性:由于不同的吸附剂因其组 成和结构不同,所表现的优先吸附能力就不同 ,只有具有良好的选择性,才能经济有效地净 化气态混合物。 (3)易于再生:吸附法净化气态污染物应包括 吸附和吸附剂再生的全部过程。 (4)机械强度大,化学稳定性强,热稳定性好 。 (5)原料来源广泛,价格低廉。 2、选择方法步骤: (1)初步选择: 选择吸附剂,除要有一定的机械强度外,最主要的 是对分离组分具有良好的选择性和较强的吸附能力 。 注意一点:吸附质分子的大小必须小于微孔的大小 。 当污染物的浓度较大,而净化要求不高时,可采用 吸附能力适中而价格便宜的吸附剂。 当污染物浓度较大而净化要求也较高时,可考虑用 不同的吸附剂进行两级处理。 (2)活性与寿命实验: 对初步选出的一种或几种吸附剂应进行活性和 寿命实验。活性实验一般在小试阶段进行,而活性 较好的吸附剂一般应通过中试进行说明实验。 (3)经济评估 对初步选出的几种吸附剂进行经济估算,从中 选用费用低,效果较好的吸附剂。 (三)吸附剂的再生 1、定义: 为了使失去吸附能力的吸附剂恢复吸附能力, 必须使吸附质从吸附剂上解脱下来,这种过程叫 。 2、常用的再生方法 (1)升温再生 通过升高吸附剂温度,使吸附物脱附,吸附剂得 到再生。 不同的吸附过程需要不同的温度,吸附作用越强 ,脱附时需要加热的温度越高。 (2)降压再生 再生时压力低于吸附操作的压力,或对床层抽 真空,使吸附质解吸出来。再生温度可与吸附温度 相同。 (3)吹扫再生 向再生设备中通入不被吸附的吹扫气, 降低吸附质在空气相中的分压,使其解吸出来 。 操作温度越高,通气温度越低,效果越 好。 (4)置换再生 采用可吸附的吹扫气,置换床中已被吸 附的物质,吹扫气的吸附性越强,床层解吸的 效果越好。 (5)化学再生 向床层中通入某种物质使其与被吸附的 物质发生化学反应,生成不易被吸附物质而解 吸出来。 (四)影响吸附剂再生的因素 主要有温度、压力、吸附质的性质和气相组 成、吸附剂的化学组成和结构等。 1、当影响因素主要是温度和压力时,一般通过降低 温度和增大压力来提高吸附量。对这类吸附剂进 行再生时可以采用升温再生法、降压再生法和吹 扫再生法。 2、当影响因素主要是吸附质的性质和气相组成或吸 附剂的化学组成和结构时,通常采用置换再生或 化学再生法。 3、吸附剂的吸附容量大,吸附效率高,与它的易于 再生性是对立统一的矛盾。如果吸附能力越强, 就可能越不易再生。 三、常用的吸附设备 常用的吸附净化设备主要有三种类型:固定床吸 附 器、移动床吸附器、流化床吸附器。 (一)固定床吸附器 1、分类: (1)按照吸附器矗立方式,分为立式和卧式两种 。 (2)按照吸附器的形状可分为方形、圆形两种。 2、特点: 结构简单,价格低廉,特别适合于小型、分散 、间 歇性污染源排放气体的净化。缺点是间歇操作。 3、方型立式吸附器(书119页 ) 吸附剂床层高度在 0.52.0m 范围,吸附 剂填充在栅板上,栅板 上放置两层不锈钢网。 处理腐蚀性流体混合物 时,可采用由耐火砖和 陶瓷等防腐蚀材料制成 的具有内衬的吸附器。 4、圆形卧式吸附器 (书119页) 壳体为圆柱形,封 头为椭圆形,一般用不 锈钢或碳钢制成。吸附 剂床层高度为0.5 1.0m。 优点:流体阻力小,从而 减少动力消耗。 缺点:由于吸附剂床层的 横截面积大,易产 生气 流分配不均 匀 现象。 (二)移动床吸附器 1、工作原理及过程: (1)吸附剂从设备顶部进入冷却器, 降温后经分配板进入吸附段,借重力 作用不断下降,并通过整个吸附器。 (2)净化气体从分配板下面引入,自 下而上通过吸附段,与吸附剂逆流接 触,净化后的气体从顶部排除。 (3)当吸附剂下降到冷提段时,由底 部上来的脱附气与其接触,进一步吸 附,将较难脱附的气体置换出来,最 后进入脱附器对吸附剂进行再生。 2、结构组成: 由吸附剂冷却器、吸附剂加料装 置、卸料装置、分配板、脱附器等部 件组成。 (三)流化床吸附器 1、工作过程: 在设备中,流体以不同的流速通过细颗 粒固 定床层时,出现流化状态,颗粒悬浮于气 体之 中,并上下浮沉,达到净化效果。 2、分类:按照流化体系分 (1)气固、液固流化床。 (2)气、液、固三相流化床。 3、优点: (1)由于流体与固体的强烈搅动,大大强 化可传质系数。 (2)由于采用小颗粒吸附剂,并处于运动 状态,从而提高了界面的传质速率,使 其适宜于净化大气量的污染废气。 (3)由于传质速率的提高,使吸附床的体 积减小。 (4)由于强烈的搅拌的混合,使床层温度 分布均匀。 (5)由于固体和气体同处于流动状态,可 使吸附与再生工艺过程连续化操作。 4、缺点: 炭粒经机械磨损造成吸附剂的损耗。 再见
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